美国物理学会公布2021年度国际物理学十大高光时刻

FUTURE远见| 2021-12-23

Future|远见

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新冠大流行仍在肆虐，对许多人来说，生活仍处于不确定状态。但是，如果今年的物理学结果值得借鉴，那么物理学家似乎正在充分利用这些困难的情况，所有领域的研究都带来了惊人的发现、突破性的结果和有趣的启示。随着 2021 年接近尾声，美国物理学会（The American Physical Society，APS）回顾了今年的十项亮点物理进展故事。

史上距太阳最近的人造物体

美国宇航局的帕克太阳探测器比任何其他人造物体都更接近太阳。

今年 4 月，航天器的轨道使它位于太阳中心 18 个太阳半径（1300 万公里）的范围内。在那里，它进入了日冕的一个高度磁化的区域，在那里磁能主导了等离子体的动能。

该探测器测量了等离子体湍流和磁场波动，为太阳能科学家提供了有关驱动太阳风机制十分需要的数据。这些观察结果也可能揭示为什么日冕比太阳表面热一千倍。

μ 子（Muon）加强对标准模型的挑战

最受期待的粒子物理学成果来自费米国家加速器实验室（Fermi National Accelerator Laboratory）的Muon g-2实验：该合作报告了对 μ 子磁性的新测量， μ 子是电子的较重表亲。

自 2001 年以来，测量表明 μ 子的磁性略高于理论预测。这种不匹配很有趣，因为它可能是由粒子或粒子物理学标准模型中未考虑的相互作用引起的。

进入量子优越性时代？

量子计算是一个快速发展的领域，今年，「最大的量子计算机」的称号在不到一个月的时间里从谷歌转移到了中国科学技术大学（USTC）到IBM。

USTC 的结果之所以引人注目，是因为它们提供了令人信服的论点，即计算机最终实现了量子「首要」——在给定任务中超越可能最好的经典计算机的能力。

人工智能用于开发绿色材料

解决气候变化是一项需要各种脑力的挑战。今年，材料科学家利用人工智能开发电池、催化剂和其他绿色解决方案的新材料。例如，机器学习算法正在筛选大型化学数据集，寻找人类化学家可能遗漏的关系。这些努力已经发现了新材料，例如可以提高电池寿命的有机化合物。

与这些算法相辅相成的是自主实验室，机器人可以在其中快速合成和测试候选化学物质。该领域的研究人员预计，人工智能方法可以将材料开发时间缩短 10 倍。

谷歌量子计算机创造时间晶体

今天的量子计算机大多仅限于简单的计算，但研究人员表明，谷歌的 Sycamore 量子计算机可以执行另一种技巧：模拟时间晶体，一个以周期性循环不断演化的量子系统。

但奇怪的是：在量子计算机上，时间晶体的模拟和演示之间的区别是模糊的。经典计算机只能模拟时间晶体的行为。但是，构成研究人员设备的多体量子系统就像一个实际的时间晶体。所以，量子计算机可以做的不仅仅是计算！

气候变化「指纹」

今年，热浪、洪水和飓风对地球造成了发人深省的影响。

气候模型表示，随着地球整体温度的升高，这些事件将更频繁地发生，并且会越来越严重。但是将特定的极端天气事件归因于气候变化是很棘手的。研究人员开发了一种新的统计方法，将极端事件的模型模式与观测模式进行比较，为建立极端天气事件与气候变化之间的相关性提供了一种工具。该团队用过去的数据测试该模型，得出的结论是，2010 年亚洲发生的两次热浪很可能是气候自然变化的表现。但他们认为，2021 年影响加拿大的不成比例的巨大热浪可能与气候变化有关。

新的暗物质理论

虽然对暗物质的搜索仍然是空白，但一些研究人员正在寻求另一种方法，即假设暗物质不存在，并提出引力比目前想象的要复杂得多。

这种所谓的MOND(修正牛顿动力学)理论的预测与许多天文观测一致，但与宇宙微波背景(CMB)的一些观测结果不一致。现在，理论学家们在解决这个问题上取得了进展，他们提出了一个适合CMB数据的理论。更新后的模型增加了MOND的可信度，但与以前的版本一样，该理论假设了缺乏理论动机的新领域，因此大多数宇宙学家仍然不相信。

中子星作为宇宙实验室

除了黑洞，没有天体比中子星密度更大。因此，它们的极端引力使得中子星成为广义相对论「强场」测试的理想环境。然而，这样的测试需要更好地了解超致密物质的「状态方程」。

今年，研究人员通过用不依赖于这样一个方程的普遍关系来描述恒星的性质，从而绕过了这个问题。然后，他们通过将中子星的X射线观测与合并中子星对的引力波探测相结合来限制这些性质。这种「多信使」的方法使他们能够对引力如何违反某些类型的对称性施加新的限制。

物理学中有趣的旋转

今年出现了一种新的、以星星为灵感的旋转陀螺进入市场。

已经退休的天体物理学家Kenneth Brecher设计了一种陀螺，具有将数学常数融入其几何结构的有趣行为。在他的最新创作DeltaCELT中，陀螺的长轴和短轴的比率等于费根鲍姆常数，该常数决定了某些系统何时变得混乱。DeltaCELT是一个拨浪鼓——一种具有首选旋转方向的陀螺。如果顺时针旋转，它会减速停止，然后随着嘎嘎作响的运动，开始向另一个方向旋转。Brecher在Bridges会议上展示了这个陀螺。

参考链接：

https://physics.aps.org/articles/v14/179

--光子盒

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